Komputerowe trzęsienie ziemi

Innowacje
Numeryczna analiza wytrzymałości sejsmiczn ej produktów elektroenergetycznych
Występowanie
i rodzaje wstrząsów
T
rzęsienia ziemi to naturalne zjawisko powstające na styku płyt kontynentalnych. Ze względu na przyczyny
powstawania dzielimy je na tektoniczne
i wulkaniczne. Na mapie kolorem
zaznaczono strefy aktywne sejsmicznie. Na skutki wstrząsów narażone są
wielkie miasta i ośrodki przemysłowe.
To nie lada wyzwanie dla konstruktorów
i producentów infrastuktury energetycznej, która powinna być sprawna
po kataklizmie. Jest ona kluczowym
elementem niesienia pomocy ofiarom
klęski żywiołowej. Mimo wysiłków naukowców ruchy tektoniczne wciąż nas
zaskakują.
Komputerowe trzęsienie ziemi
ABB jako firma dostarczająca swoje wyroby do większości krajów
świata musi uwzględniać specyficzne wymagania odbiorców.
Jednym z nich jest kwalifikacja sejsmiczna. Trzęsienia ziemi
stawiają przed producentami wyzwania związane z obliczeniem
odporności produktów na wstrząsy. To spory problem.
Na szczęście w krakowskim Centrum Badawczym opracowano
pierwszy na świecie kompletny system analizy sejsmicznej dla
urządzeń elektroenergetycznych.
Zjawiska sejsmiczne na świecie.
Największe trzęsienia ziemi w ostatniej
dekadzie miały miejsce w USA, Japonii
i Turcji. Strefa aktywności sejsmicznej
widoczna jest też w Europie. Kwietniowe trzęsienie o sile 6,3 stopnia w skali
Richtera we włoskiej Abruzji pochłonęło
kilkaset istnień ludzkich.
Standardy
sejsmiczne
Fot. na kolumnach: Robert Płatek/Arch. ABB
N
a świecie obowiązują trzy standardy określające wymagania, jakie
powinien spełnić produkt, by otrzymać
kwalifikację sejsmiczną. W Ameryce parametry wyznacza dokument IEEE 693,
w Europie – IEC 60068, w Rosji – norma
GOST 30546. Dokumenty zawierają
rekomendacje dotyczące projektowania i kwalifikacji wszystkich elementów
wyposażenia podstacji mocy. Standard
określa trzy poziomy kwalifikacji: niski,
średni i wysoki.
22 Dzisiaj Kwiecień 2009
J
edynym praktycznym testem odporności sejsmicznej urządzenia
jest próba na stole wibracyjnym.
Pozwala ona dokładnie przeanalizować zachowanie się poszczególnych jego elementów podczas działania określonych przyspieszeń i drgań. Ale ze względu
na gabaryty produktów elektroenergetycznych
takie testy słono kosztują (nierzadko kilkadziesiąt tysięcy euro), a często są niewykonalne.
Dlatego w przypadku
np. transformatorów
mocy możliwe jest wykonanie prób jedynie dla
elementów krytycznych
(przepusty,
izolatory,
zbiorniki wiszące na wysięgnikach). Te badania
nie rozstrzygają jednak
o tym, czy całe urządzenie jest wystarczająco
odporne na wstrząsy sejsmiczne.
W takich sytuacjach stosuje się obliczenia statyczne. Określają one siły generowane podczas zdarzenia sejsmicznego,
które porównuje się z wytrzymałością
analizowanych elementów, wyznaczanych na podstawie obliczeń lub pomiarów.
Stosowane współczynniki, porównania,
akceptowalne marginesy i wyspecjalizowane warunki mogą być różne dla
różnych przypadków. Te obliczenia
nie uwzględniają jednak wielu zjawisk, chociażby dynamiki płynów
w produktach (np. olej w transformatorze). W rezultacie wyniki dają
jedynie wartość przybliżoną.
Dzięki rozwojowi technik analitycznych i stale rosnącym możliwościom
obliczeniowym komputerów analizy
numeryczne są jednak coraz dokładniejsze. Nie bez znaczenia jest zastosowana
metodologia. To ona stanowi o dokładności
wyniku. Dlatego naukowcy na całym świecie
poszukują metody jak najdokładniejszego
badania odporności sejsmicznej aparatury
elektroenergetycznej. Wynika to zarówno
z wymagań klientów, jak i ze zwiększenia
niezawodności infrastruktury, a co za tym
idzie – z zagwarantowania dostaw energii
elektrycznej nawet w rejonach sejsmicznie
aktywnych.
Problematyka ta od dłuższego czasu nurtowała naukowców z Centrum
Badawczego
ABB
w Krakowie. Tam powstało wiele – sprawdzających się w różnych zastosowaniach
– analiz modelowych,
wykorzystujących metodę elementów skończonych FEM (Fine
Element Method). Polega ona na stworzeniu
trójwymiarowego modelu geometrycznego,
dla którego definiuje się warunki brzegowe:
ograniczenia czy działające siły, a następnie model zostaje zdefiniowany przez siat-
Analizy
numeryczne są
coraz bardziej
precyzyjne.
kę, która stanowi geometryczny układ węzłów. W tych punktach wyliczane są takie
wartości, jak przyspieszenie, odkształcenie,
naprężenie i deformacje.
To był doskonały punkt wyjścia do stworzenia
modelu analizy sejsmicznej. Badania próbne
przepustów transformatorowych pochodzących z fabryki Micafill w Szwajcarii oraz ich
niezależnie przeprowadzone testy na stole
wibracyjnym w certyfikowanym laboratorium IABG w Monachium wykazały dużą
zgodność wyników i potwierdziły możliwość stosowania analiz numerycznych
do szacowania wytrzymałości sejsmicznej
produktów. Ale w metodologii wciąż brakowało możliwości badania charakterystyki
dynamicznej urządzeń, w których trzeba
uwzględnić zjawisko dynamiki płynów. Aby
metodologia stała się kompletna, z analizą mechaniczną sprzężono system CFD
(Computational Fluid Dynamics). Do pełnego osiągnięcia celu wykorzystano technikę
Fluid Structure Interaction (FSI). Polega ona
na powiązaniu symulacji przepływów z analizami wytrzymałościowymi i stosowana jest
tam, gdzie płyn znacząco wpływa na strukturę i na odwrót. Dzięki temu możliwe jest
określenie rzeczywistej dynamiki produktu,
a także oszacowanie wpływu płynu i struktury na całe urządzenie i jego poszczególne
elementy.
Do praktycznej weryfikacji opracowanej w Krakowie metody wykorzystano przekładnik kombinowany JUK 145
produkowany w Przasnyszu. Jego testy
sejsmiczne wykonano w Centrum Techniki Okrętowej w Gdańsku. Wyniki symulacji
i zmierzone wartości okazały się bardzo
zbliżone, co oznacza, że opracowana metoda analizy jest niezwykle dokładna. Jest
to pierwszy na świecie kompletny system
analizy sejsmicznej dla urządzeń elektroenergetycznych. Jeszcze w tym roku będzie
dostępny dla biur projektowych ABB na całym świecie, co pozwoli na szybsze i dużo
tańsze tworzenie prototypów spełniających
normy oraz na uzyskiwanie klasyfikacji
sejsmicznej dla podzespołów, ale także dla
całych urządzeń i systemów elektroenergetycznych wytwarzanych przez ABB.
Laboratoryjne testy przepustów transformatorowych
Pomiary muszą być dokładne i wiarygodne
N
aukowcy na całym świecie poszukują metody jak najdokładniejszego
badania odporności sejsmicznej aparatury elektroenergetycznej. Skutecznym
sposobem są testy przeprowadzane na
stole wibracyjnym w laboratorium IABG
w Monachium. Od niedawna testy są
uzupełniane badaniami numerycznymi
opracowanymi w Centrum Badawczym
ABB w Krakowie. Po zakończonych próbach klient otrzymuje komplet informacji
o odporności urządzenia na wstrząsy.
Więcej informacji:
Robert Płatek, tel. 012 42 44 174
e-mail: [email protected]
Kwiecień 2009 Dzisiaj 23